作者：陳燃，孫先松，黃強(qiáng)國(guó)，羅浩，梅啟程

引言

隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)睡眠生理和病理有了更深理解，睡眠醫(yī)學(xué)作為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的一個(gè)重要組成部分正在建立和發(fā)展起來。睡眠障礙是許多疾病形成和發(fā)展的重要因素，睡眠的質(zhì)量問題不僅可能引起人體各種生理功能的低下，而且還會(huì)導(dǎo)致一系列周身性病變。國(guó)外廠家所生產(chǎn)較先進(jìn)的病人檢測(cè)儀，均能在檢測(cè)病人心臟功能的同時(shí)，檢測(cè)病人的呼吸情況，但目前這類儀器價(jià)格昂貴且基本為進(jìn)口，不易在國(guó)內(nèi)醫(yī)院和患者中推廣使用 。本項(xiàng)目是在計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)深層次結(jié)合的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一種新型儀器，通過智能手機(jī)和先進(jìn)的電子技術(shù)，充分運(yùn)用軟件能力來實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和輸出等功能。

1 系統(tǒng)功能分析

整個(gè)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。由呼吸傳感器對(duì)人的呼吸情況進(jìn)行檢測(cè)，主控單元負(fù)責(zé)讀取呼吸傳感器數(shù)據(jù)并通過無線藍(lán)牙模塊和WiFi模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機(jī)，同時(shí)主控單元還對(duì)危險(xiǎn)的呼吸狀態(tài)進(jìn)行聲光報(bào)警提示，智能手機(jī)可以將一段時(shí)間內(nèi)的呼吸狀態(tài)以曲線或回放等形式進(jìn)行顯示，也可導(dǎo)出數(shù)據(jù)供醫(yī)生分析用。智能手機(jī)端能對(duì)下位機(jī)工作模式進(jìn)行控制，對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行顯示。

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示。在硬件控制系統(tǒng)中，主要由ST公司型號(hào)為STM32的MCU提供系統(tǒng)的指示，配合手機(jī)端的指令，共同對(duì)呼吸狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警。首先，呼吸傳感器將人的原始呼吸幅度的起伏轉(zhuǎn)換為原始電信號(hào)［6］，但收集到人的呼吸信號(hào)比較微弱，需要經(jīng)過一定的放大后再經(jīng)信號(hào)調(diào)整，最后輸送到A/D轉(zhuǎn)換端口，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)可由軟件編程進(jìn)行控制和處理（如對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，監(jiān)測(cè)到呼吸狀況異常，啟動(dòng)報(bào)警機(jī)制等），亦可由串口連接無線藍(lán)牙模塊或WiFi模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到手機(jī)端，讓手機(jī)端進(jìn)行處理。聲光報(bào)警由單片機(jī)端口連接二極管和蜂鳴器，交由軟件控制其工作狀態(tài)。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 MCU程序設(shè)計(jì)

便攜式智能睡眠呼吸監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)主程序會(huì)直接影響到系統(tǒng)的性能，而監(jiān)測(cè)的精確度和有效性對(duì)系統(tǒng)的功效起決定性作用。單片機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。MCU初始化設(shè)置是硬件系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。A/D轉(zhuǎn)換采樣間隔的合理采取使得MCU能更精確地監(jiān)測(cè)，并減少不必要的內(nèi)存空間。若采樣間隔過大，則無法探知危險(xiǎn)，不能及時(shí)報(bào)警和準(zhǔn)確地顯示被測(cè)者的呼吸質(zhì)量;若采樣間隔過小，則數(shù)據(jù)量過于龐大，給數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理帶來困難，也不利于系統(tǒng)高效低耗的運(yùn)行。串口連接著無線藍(lán)牙和WiFi模塊，是MCU與手機(jī)端進(jìn)行交互的跳板，MCU可以單獨(dú)完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理，并及時(shí)報(bào)警，也可通過與手機(jī)端建立聯(lián)系，將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)端進(jìn)行處理，再向單片機(jī)發(fā)送各種請(qǐng)求。

3.2 手機(jī)端程序設(shè)計(jì)

手機(jī)端主要對(duì)MCU起輔助作用，但也能自成一體。與MCU結(jié)合時(shí)作為實(shí)時(shí)報(bào)警和監(jiān)測(cè)顯示裝置，單獨(dú)工作時(shí)便對(duì)以往呼吸狀況重新顯示，有助于醫(yī)生分析掌握病情。手機(jī)端程序設(shè)計(jì)如圖4所示。首先，采用人性化界面的設(shè)計(jì)，給用戶一個(gè)良好的視覺感受，且操作簡(jiǎn)單。其次，與無線藍(lán)牙和WiFi連接配對(duì)，確保數(shù)據(jù)能正常發(fā)送接收。另外，是對(duì)將數(shù)據(jù)保存至本地或云平臺(tái)，以便能節(jié)省手機(jī)儲(chǔ)存空間，隨時(shí)隨地調(diào)出歷史數(shù)據(jù)以供醫(yī)生診治。最后，是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過友好的圖形界面，實(shí)時(shí)顯示呼吸狀況和顯示歷史呼吸狀況，同時(shí)當(dāng)監(jiān)測(cè)到不正常呼吸狀況時(shí)啟動(dòng)報(bào)警，如手機(jī)震動(dòng)或發(fā)出報(bào)警鈴聲等。

4 系統(tǒng)功能測(cè)試說明

本系統(tǒng)采用的功能測(cè)試流程如圖5所示。

4.1 呼吸傳感器設(shè)計(jì)

呼吸質(zhì)量的監(jiān)測(cè)有多種指標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)實(shí)因素考慮，最終選擇方案為通過磁感應(yīng)來獲得所需要的信息，人呼吸時(shí)的起伏帶動(dòng)磁通量的變化，再將磁通量的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，不斷調(diào)整放大倍數(shù)，獲得精確有效的信息［8］。

4.2 下位機(jī)控制藍(lán)牙和WiFi模塊進(jìn)行通信

WiFi模塊與藍(lán)牙模塊的配置如下

藍(lán)牙配置：

AT/*測(cè)試通訊*/

AT+NAMEbreath/*修改藍(lán)牙名稱為breath*/

AT+BAUD4 /*修改波特率為9600*/

AT+PIN1234 /*修改配對(duì)密碼為1234*/

WiFi模塊配置：

at+netmode=2

at+dhcpd=0

at+wifi_conf=breath，wpawpa2_aes，12345678

at+dhcpc=1

at+net_ip=0.0.0.0，0.0.0.0，0.0.0.0

at+net_dns=0.0.0.0，0.0.0.0

at+remotepro=tcp

at+mode=server

at+remoteip=192.168.11.245

at+remoteport=8080

at+CLport=

at+timeout=0

at+uart=115200，8，n，1

at+uartpacklen=64

at+uartpacktimeout=10

at+net_commit=1

at+reconn=1

無線藍(lán)牙模塊和WiFi模塊能與MCU正常連接，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

4.3 主控單元監(jiān)測(cè)分析傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行聲光報(bào)警

給出一定的模擬信號(hào)，主控單元能正確的識(shí)別出不正常的呼吸狀況，并啟動(dòng)報(bào)警，LED燈開始閃爍，蜂鳴器開始發(fā)聲［9］。

4.4 各功能單元工作狀態(tài)的控制與低功耗設(shè)計(jì)工作

后期精簡(jiǎn)不必要的元件，縮小儀器的體積。器件的選擇，在確保精確度的前提下，使用低功耗的器件，適當(dāng)修繕主程序，使其更高效穩(wěn)定工作。

4.5 上位機(jī)手機(jī)端的高度智能化、人性化的軟件設(shè)計(jì)

MCU與手機(jī)間的無線通信要求二者建立協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑫r(shí)傳輸一些特定的命令指令來維持系統(tǒng)的運(yùn)行。

MCU與手機(jī)端的協(xié)議如下

命令格式

$000# 停機(jī)

$001# MCU啟動(dòng)

$002#測(cè)試單個(gè)數(shù)據(jù)

$003#測(cè)試連續(xù)數(shù)據(jù)

$004#讀取MCU狀態(tài)

$005#讀取MCU數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

$006#讀取指定數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

$007#讀取命令數(shù)據(jù)

$008#發(fā)動(dòng)報(bào)警機(jī)制

數(shù)據(jù)格式

單個(gè)數(shù)據(jù)格式：&___#

連續(xù)數(shù)據(jù)格式：%________________#

固定長(zhǎng)度數(shù)據(jù)格式：@__________#（10位）

5 結(jié)束語

低價(jià)格高實(shí)用性的呼吸監(jiān)測(cè)儀，有很大的市場(chǎng)，特別對(duì)于有睡眠呼吸障礙的人群，該儀器不僅可以對(duì)睡眠呼吸的不正常狀態(tài)實(shí)時(shí)報(bào)警，還可以記錄整個(gè)睡眠過程中的呼吸狀態(tài)，便于本人及醫(yī)生分析掌握病情，從而為廣大呼吸暫停低通氣癥患者帶來更好的、科學(xué)的監(jiān)護(hù)和診治。同時(shí)該儀器還能使用無線通信與智能手機(jī)結(jié)合，智能化程度高，更加人性化。

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